核能行業增材制造標準體系建設探討

何戈寧，湯華鵬，李 毅，李冬慧，吳 舸，袁 宏

(中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041)

增材制造又被稱作3D打印，是典型的智能制造技術，被譽為將是引領第四次工業革命的核心技術之一。3D打印這種顛覆性的智能制造技術可以極大地解放制造工藝對設計的束縛，加工制造出傳統制造工藝無法制造出的新產品，開發出性能提升的新材料，實現降低重量、減小體積、提高性能效率等目標。作為新興的智能制造技術，增材制造技術目前在國內的發展迅猛，在核能行業預期也將有著廣泛的發展應用前景。但該技術的應用推廣目前面臨著一個重大問題，即尚未建立完善的標準體系。包括設計、原材料、制造工藝、設備性能、檢驗檢測、數字化交互與評價等等相關工作，均缺乏相關標準進行指導。盡快開展核能行業增材制造標準體系研究，系統性地開展標準化工作，已經成為推進增材制造技術在核能行業應用的當務之急。

1 增材制造技術在核能行業發展概況

近年來，增材制造技術在航空航天、醫療等領域已經實現了系統化的應用[1]。核能行業由于其高安全性、高可靠性的要求以及涉及輻射安全的行業特點，對產品的設計、材料、性能、試驗等方面，與常規民用行業相比，均有著特殊的要求。雖然針對反應堆壓力容器、燃料組件、閥體等部件，已經有增材制造技術的研究嘗試，但總的來說，增材制造技術在核能行業的研究及應用仍停留在較為初級的階段[2]。2019年，工信部公布了高性能難熔難加工合金大型復雜構件增材制造(3D打印)“一條龍”應用計劃，明確了核電領域的應用示范產品及企業。可以預期，未來增材制造技術在核能行業將有更廣泛的應用前景。

2 國外增材制造標準化現狀

標準化是新技術實現產業化應用的前提條件。國際標準化組織以及美國、歐盟等國家/組織，紛紛著手建立各自的增材制造標準化體系。

2.1 國際標準化組織(ISO)

國際標準化組織(ISO)于2011年創建ISO/TC 261增材制造標準化技術委員會，ISO/TC 261創建當年就與ASTM F42簽署合作協議，開展增材制造技術領域的標準化體系構建。2013年，ISO/TC 261與ASTM F42共同發布了“增材制造標準制定聯合計劃”，2016年，又進行了修訂更新?；谠撚媱?，梳理出了增材制造相關標準的體系結構，并進行動態更新。ISO/ASTM 增材制造標準體系分為總體標準、材料標準、裝備/工藝標準以及制品標準4大部分[3]。

截至目前，國際標準化組織(ISO)已有15項標準發布，31項標準正在制定中。

2.2 美國

2017年，美國國家標準化研究院(ANSI)與美國制造(America makes，前身是美國增材制造創新研究所)合作成立了標準化工作聯合體(AMSC)，研究并發布了美國增材制造標準化路線圖。2018年，又對該線路圖進行了升版[4]。路線圖提供了美國當前增材制造的標準化全景圖象，將標準化目標分為設計、過程與材料、資格與認證、無損檢測、維護保養5大部分，并針對下一階段研究計劃給出了建議。

美國材料與試驗協會(ASTM)是最早成立的增材制造技術委員會的標準化協會組織，其增材制造標準化專委會ASTM F42成立于2009年。目前已建成一級子標準技術委員9個，2級子標準技術委員十余個，發布標準數十項。

美國的一些特殊行業，如美國國家航空航天局(NASA)、美國汽車工程師學會(SAE)、美國聯邦航空管理局(FAA)等，也根據行業特點完成了相關增材制造標準化的布局工作。

美國國防部于2016年發布了增材制造路線圖，全面布局增材制造研究[5]。目前已發布了美國軍標MIL-STD-3049，規定了采用金屬直接沉積進行修復的技術要求。

2.3 歐盟

歐盟對增材制造的標準化工作也非常重視，聯合了ISO TC261，ASTM F42以及增材制造企業在內的多方力量，于2013年啟動了SASAM項目，并于2014年發布了增材制造的標準路線圖。與ISO類似，SASAM項目也將標準化目標分為總體標準、材料標準、裝備/工藝標準以及制品標準4大部分[6]。目前，基于SASAM項目已經有一系列標準發布。

3 國內增材制造標準化現狀

3.1 國家標準

2014年，我國加入ISO增材制造標準化技術委員會，成為其成員國；2016年全國增材制造標準化技術委員會(SAC/TC562)成立，在國家層面上開展增材制造技術標準化工作。但截至目前，國家層面的標準化體系框架仍在醞釀中。

目前通過該技術委員會發布的國家標準共有7項(見表1)，涉及增材制造術語、文件格式、工藝和材料分類、主要特性和測試方法等方面。正在編制的國家標準共有17項。

從目前正在開展的標準化工作可以看出，由于標準化體系框架的缺乏，目前的標準化工作更多是消化吸收國外標準而得，缺乏對技術發展趨勢的預測和考慮。對增材制造產品開發及應用極為關鍵的設計標準、無損檢測標準尚屬空白。導致國內增材制造產品質量參差不齊，市場秩序混亂，這在很大程度上阻礙了我國增材制造產業的發展[7]。

表1 增材制造國家標準(已發布)Table 1 National standards for additive manufacturing (issued)

3.2 行業標準

考慮不同行業的特殊性要求，布局增材制造行業標準，是推進增材制造技術在特殊行業產業化應用的助推器。2020年3月，國家標準化管理委員會、工信部等6部門聯合印發《增材制造標準領航行動計劃》，部署推進增材制造標準化工作，特別指出要推進航空航天、核能等領域等特殊行業的行業標準建設。

目前國內航空、航天領域，已著手推進增材制造標準化工作，目前正在針對航天領域標準體系框架及路線圖開展研究。

在核能領域，2016年成立了核能行業3D打印技術工作組，但截至目前，尚未開展系統性的標準研究，也沒有相關標準發布，研究工作缺乏系統布局，推進較為緩慢。

4 核能行業標準體系的建設建議

綜合上文的調研可見，目前核能行業增材制造標準化工作相對落后，某種程度上已成為影響增材制造這一顛覆性創新技術在核能行業廣泛應用的限制因素，本文提出核能行業標準體系的建設建議。

4.1 基本原則

基于當前核能行業增材制造標準體系尚未建立的現狀，結合國家層面的增材制造標準化體系建設的情況，參考借鑒國外增材制造標準體系框架和構成要素，并考慮國家的核安全監管的相關要求以及核能行業的特殊要求和工程實踐，構建一個相對完善的核能行業增材制造標準體系，并以此為基礎后續大力推進核能行業增材制造的標準化工作。

建議在全國增材制造標準化技術委員會(SAC/TC562)下增設核能行業分技術委員會，統籌核能行業標準化工作。

4.2 標準框架體系

作為典型的智能制造技術，增材制造具有非常顯著的多學科交叉的技術特點，需要綜合考慮增材制造產品的設計、材料、工藝、設備、后處理、檢驗檢測、數字化/智能化交互等多種因素。

因此，所建立的核能行業增材制造標準體系應該是一個包含多層次、多學科領域，覆蓋全產業鏈、全價值鏈、產品全生命周期的標準體系。借鑒國外已有的工作，提出了核能行業增材制造標準體系框架(見圖1)。本文還對框架中不同標準化對象在核能行業應用以及要求的特殊性進行了梳理。

圖1 核能行業增材制造標準體系框架Fig.1 Additive Manufacturing Standards Structure in nuclear power industry

4.3 標準化路線圖

在所建立的核能行業增材制造標準體系框架中，如設計、材料、檢驗試驗等領域，由于核能行業的技術特殊性較高，需要考慮單獨建立適用于核能行業的標準(如圖1中，核能行業特殊性高、中的領域)，并建立標準需求清單。標準體系框架中其他領域，如通用技術、3D打印工藝、3D打印裝備等，這些領域核能行業的技術特殊性較弱，可以研究通用的國家標準是否在這些領域可以直接適用，并給出相應的標準清單或標準制定需求(通用的國家標準缺少的)。梳理完成后，形成結構化的核能行業增材制造標準體系構成清單，并結合標準制定的成熟度和需求的緊迫性，建立核能行業標準化路線圖。

5 結語

作為顛覆性的創新技術，增材制造預期將成為我國實現創新突破、彎道超車的關鍵領域。這就需要我們結合我國核能行業實際情況及應用需求，匯聚各方力量，盡快在核能行業系統性的開展增材制造標準化布局，建立核能行業增材制造標準體系，為增材制造技術在核能行業的的發展提供有效的規范、支撐和引領。